Temperaturanforderungen von Quantencomputern

Das Potential von Quantencomputern steckt in den sogenannten Quantenbits, kurz Qubits. Es gibt heutzutage verschiedene Arten von Qubit-Technologien - supraleitende Qubits, Spin-Qubits und Majorana-Fermionen – die alle vor der gleichen Schwierigkeit stehen: Ihre Zustände sind sehr instabil. Damit sie für Rechenprozesse lange genug kontrollierbar bleiben, müssen sie auf extrem niedrige (kryogene) Temperaturen unter -270°C gekühlt werden. 

Der Tieftemperaturbetrieb der Qubits erschwert deren Anschluss an Vorspannungs-, Auslese- und Steuerelektronik, welche benötigt werden, um Rechenprozesse durchzuführen. Aktuell werden bei Quantencomputer dazu lange Verbindungskabel genutzt, die an die gekühlten Qubits einzeln angeschlossen werden. Dies schränkt den Aufbau der Systeme entschieden ein. Da die Anzahl der Qubits in Zukunft deutlich erhöht werden muss, damit Quantencomputing für ein großes Anwendungsspektrum erschlossen werden kann, ist eine Lösung nötig, bei der die Elektronik gekühlt und in unmittelbarer Nähe der Qubits platziert werden kann. Dazu müssen die elektronischen Komponenten aber in der Lage sein mit geringem Rauschen, bei niedrigen Temperaturen und ohne nennenswerte Eigenerwärmung zu arbeiten, um die empfindlichen Qubits nicht zu stören.

Entwicklung innovativer kryogener 3D-Nanoelektronik 

Neun Partner aus Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie, darunter das Fraunhofer IAF, haben sich in dem europäischen Projekt »SEQUENCE - Kryogene 3D-Nanoelektronik« der Aufgabe angenommen, kryogene elektronische Komponenten zu entwickeln. Das Projekt kombiniert Si-CMOS-, III-V- und 3D-Integrationstechnologien, um die Skalierung sowohl von supraleitenden als auch von Spin-Qubit-basierten Quantencomputern zu unterstützen. 

In dem Projekt werden verschiedene Hochfrequenz-Schaltungen wie rauscharme Verstärker, Mischer, Oszillatoren, Digital-Analog-Wandler, Multiplexer und HF-Schalter entwickelt, die bei extrem niedrigen Leistungspegeln arbeiten und sogar von der niedrigen Umgebungstemperatur profitieren, um eine bessere Leistung zu erzielen. 

Das SEQUENCE-Konsortium besteht aus neun Partnern mit einem breiten Spektrum an Erfahrung und Fachkenntnissen auf dem Gebiet der Materialwissenschaft, elektronischer Geräte, Schaltkreise und Systeme. Die Partner sind die Universität Lund (Schweden), das Fraunhofer IAF (Deutschland), das Institute Polytechnique de Grenoble (Frankreich), IBM (Schweiz), CEA-LETI (Frankreich), die Universität von Glasgow (Großbritannien), das Tyndall National Institute (Irland), C2Amps (Schweden) und die Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (Schweiz).  

Rauscharme kryogene Elektronik am Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF steuert seine langjährige Erfahrung im Bereich Technologieentwicklung, Schaltungsdesign und Tieftemperatur-Messtechnik für ultra-rauscharme Hochfrequenzelektronik bei. »In SEQUENCE können wir von vielen Jahren Erfahrung mit kryogener Elektronik für die Radioastronomie profitieren. Für neue Anwendungen, wie zum Beispiel Quantencomputer, müssen wir das Rauschen unserer Verstärker noch weiter verbessern, um mit den Eigenschaften der Ausleseelektronik noch näher an die physikalischen Grenzen zu gelangen,« erklärt Dr. Fabian Thome, Projektleiter seitens des Fraunhofer IAF.